Эскалация резистентности к противомикробным препаратам как глобальная угроза здоровью обусловлена высокоэффективными механизмами генетического распространения.
Передача генов резистентности к антибиотикам это многоступенчатый процесс: мобилизация с помощью инсерционных последовательностей или интегринов, перемещение с хромосом на мобильные генетические элементы и, наконец, горизонтальный перенос генов между микроорганизмами. Группа исследователей из Института фармацевтических исследований имени Гельмгольца (Германия) стремились искусственно имитировать этот механизм, чтобы облегчить процесс «мобилизация-перемещение-перенос» для больших фрагментов ДНК бактерий, таких как кластеры биосинтетических генов (BGC), ответственных за производство натуральных продуктов.
Бактерии обладают удивительной способностью обмениваться генетическим материалом друг с другом. Известный пример с далеко идущими последствиями - передача генов резистентности к антибиотикам между бактериальными патогенами. Такой перенос генов позволяет им быстро адаптироваться к различным условиям окружающей среды и является одним из основных факторов распространения устойчивости к антибиотикам.
Гены резистентности к противомикробным препаратам часто группируются в плазмидах резистентности - небольших, самовоспроизводящихся участках ДНК, которые не зависят от хромосом хозяина. Такая организация позволяет быстро распространять гены резистентности между видами бактерий путем передачи плазмид. Вдохновившись этими системами, авторы недавней работы, результаты которой опубликованы в журнале Science, разработали систему на основе CRISPR-Cas для перемещения больших фрагментов генетического материала из бактериальных хромосом в плазмиды внутри одной клетки. Этот переключатель позволяет реплицировать и клонировать биосинтетические гены микроорганизмов, работа с которыми может быть затруднена. Усиленная экспрессия кластеров генов в родном организме или в гетерологичной системе позволила идентифицировать ранее не изученные группы натуральных продуктов.
Микроорганизмы производят широкий спектр естественных продуктов, которые могут быть использованы в качестве активных ингредиентов для лечения таких заболеваний, как инфекции или рак. Рецепты создания этих молекул содержатся в генах микробов, но в лабораторных условиях они часто остаются неактивными. Авторы исследования использовали этот природный механизм для получения и выделения генетических "чертежей" из BGC. Инновационный подход, получивший название ACTIMOT, позволяет либо производить натуральные продукты, закодированные в кластерах генов, непосредственно в бактерии, либо переносить их в более подходящие штаммы микроорганизмов для производства новых молекул там.
ACTIMOT - сокращение от «Advanced Cas9-mediaTed In vivo MObilization and mulTiplication of BGCs» - позволяет осуществлять точные вмешательства в генетический материал бактерий. Поскольку в лабораторных условиях кластеры биосинтетических генов зачастую менее активны, их извлекают из генома с помощью ACTIMOT и вставляют в мобильную генетическую единицу, которая затем размножается самой бактерией. Во многих случаях амплификация кластеров генов на плазмидах уже достаточна для производства закодированных природных продуктов. Если это не удается, образовавшиеся плазмиды можно легко перенести в альтернативный штамм-продуцент. В настоящем исследовании авторы приводят успешные примеры обоих подходов.
«Многие кластеры биосинтетических генов по разным причинам остаются заблокированными в лабораторных условиях, а предпринимаемые в настоящее время усилия по выявлению кодируемых ими натуральных продуктов затрагивают лишь ограниченное их число», - поясняет Рольф Мюллер, руководитель исследовательской группы и соавтор исследования. «Наш подход имитирует естественный процесс переноса бактериальных генов, позволяя напрямую высвобождать и усиливать целые кластеры биосинтетических генов внутри родной бактериальной клетки, открывая доступ к ранее скрытым природным продуктам. Используя эту технологию, мы можем получить доступ к биосинтетическому потенциалу бактерий гораздо быстрее и проще по сравнению с существующими методами».
Авторы уже продемонстрировали, что ACTIMOT действительно может привести к новым открытиям: в ходе исследования ученые обнаружили 39 новых натуральных продуктов из четырех ранее неизвестных классов природных продуктов. Эти открытия дали группе уверенность в том, что ACTIMOT может значительно ускорить открытие новых кандидатов в лекарственные препараты. «Микроорганизмы предлагают нам невероятный потенциал для производства новых химических веществ, которые мы можем использовать, в частности, для разработки остро необходимых активных ингредиентов», - отмечает Мюллер. «До сих пор большая часть этих микробных сокровищ оставалась скрытой от нас. ACTIMOT поможет нам и дальше использовать биосинтетический потенциал бактерий и тем самым значительно продвинуть разработку новых активных агентов».
В данном исследовании ACTIMOT использовался с представителями рода Streptomyces. Однако авторы уже планируют распространить его на другие виды микроорганизмов, обладающих высоким потенциалом для производства неизвестных ранее естественных продуктов. Кроме того, ACTIMOT имеет потенциал для применения в различных других областях, включая крупномасштабное производство ценных натуральных продуктов, исследование неизвестных генных механизмов и определение отправных точек для оптимизации натуральных продуктов.
"ACTIMOT эффективно мобилизует и воспроизводит BGC, напрямую увеличивая выход соединений за счет эффекта дозировки генов, что было продемонстрировано открытием мобилипептинов и актимотинов. Когда BGCs подавляются в местных штаммах, перемещенные BGCs могут быть перенесены в генетически доступных хозяев для производства, примером чего являются авидистатины и авидилипопептины. Будущие исследования позволят изучить адаптивность ACTIMOT к другим видам для раскрытия огромного геномного потенциала фабрик натуральных продуктов" - рассказал Мюллер.
